功能磁共振成像是什么?它是如何工作的?

“你是否曾经看着一个人，想知道，‘他们的脑袋里在想什么?这个著名的问题是由迪斯尼皮克斯电影中的乔伊提出的内而外这是医生和科学家们每天都在借助大脑成像技术解决的难题。脑成像技术使医生和科学家无需打开颅骨就能看到大脑的内部结构。有几种脑成像技术。其中一种是磁共振成像(MRI)，它观察大脑的结构，另一种是功能磁共振成像(fMRI)，它观察大脑的功能。

功能磁共振成像通过追踪流向大脑的血液变化来测量大脑活动。fMRI是由结构MRI衍生而来的。事实上，他们都使用同一种机器，叫做磁共振扫描仪(图1)．磁共振成像技术用于创建一个物体内部结构的详细3D图像磁场无线电波[1］．核磁共振成像可以用于研究大脑以外的身体部位，甚至是非生命物体。例如，MRI可以被考古学家用来拍摄化石内部的照片。功能磁共振成像也可以用来成像大脑以外的身体部位。在医学上，脑磁共振成像和功能磁共振成像被用于帮助识别疾病、计划治疗和研究疾病和失调的根本原因。

MR扫描仪的工作原理是一次拍摄一层薄薄的大脑照片。然后，这些图片像煎饼一样堆叠起来，以创建被成像区域的全貌。你可能会问，这怎么可能?人体由数十亿个分子组成，其中包括水分子，磁共振成像仪可以检测到水分子。所有分子中的原子，包括水分子(H₂O)，含有质子[1］．质子就像微小的磁铁[1］．在没有很强磁场的情况下(也就是说，当我们在磁共振扫描仪外面时)，我们体内的质子的方向是随机的(图2一个)．当我们躺在扫描仪里时，它的强磁场(通常是地球磁场的数万倍)迫使这些质子与磁场对齐，尽管我们根本感觉不到这一点(图2 b)．梯度线圈(见图1)帮助扫描仪操作员准确地确定我们的身体在扫描仪中的位置。

然后，射频线圈发射无线频率波在整个被成像的身体区域，再次重新排列这些质子，但暂时的(图2 c)．射频线圈可能是用于全身扫描的核磁共振成像仪的一部分，或者只是在对大脑成像时作为特殊的头带佩戴。当无线电频率不再传输时，质子就会“放松”到扫描仪磁场的原始位置。在此过程中，质子释放了将它们拉向射频线圈方向的能量(就像释放弹弓一样)，形式为电磁信号（图2 d)．

就像数百万个水滴可以形成一个水坑一样，来自数百万个质子的信号，经过仔细分析，可以聚集在一起，形成一个身体的详细图像。1］．核磁共振成像只拍摄大脑结构的照片，而功能磁共振成像通过比较不同条件下的血液流动来显示大脑的活动(或功能)。

神经元:我们大脑的基石

大脑帮助我们理解周围的世界并做出反应。它使我们能够解释我们看到、触摸、听到和尝到的东西，并调节我们的身体对外部环境的反应。它通过一种叫做神经元，在大脑和身体其他部位之间处理和传递信息[3.］．当大脑面临一项任务时，比如记住一个想法，负责这项活动的神经元会比周围的其他神经元更加活跃。它们通过产生化学和电信号并将它们从一个神经元转移到另一个神经元来实现这一点。这个过程被称为神经活动或大脑活动。

fMRI如何测量大脑活动?

神经活动需要能量。像身体中的其他细胞一样，神经元通过氧气分解糖来产生能量。当大脑某部分的神经活动增加时，就会消耗更多的能量。为了补充这种能量，更多携带氧气的血液被输送到大脑区域。血液通过一种叫做血红蛋白．血红蛋白含有铁，这使它具有磁性，就像一个微小的铁屑。根据血红蛋白是否携带氧气(即是否含氧或脱氧)，它的磁性略有不同。因此，更大的神经活动导致更大的含氧血流量(图3)，所以大脑中更活跃的区域具有更强的磁性。这导致电磁波的模式略有不同。

功能磁共振成像通过测量血液中氧含量和血流量的变化来检测大脑活动[4，5］．这种测量方法被称为血氧水平依赖活性(BOLD活性)。换句话说，BOLD活动是大脑活动的方便替代品:fMRI通过测量BOLD活动来间接测量大脑活动。这有点类似于通过听雷声来判断闪电发生的时间和地点。

对大脑功能的“大胆”洞察

在过去30年左右的时间里，研究人员使用BOLD MR成像技术开始回答乔伊提出的关于人们大脑内部发生了什么的问题。格里高利·伯恩斯博士和他的同事们的工作很好地说明了功能性核磁共振成像技术在窥探人类或动物大脑功能方面的强大力量。他们比较了狗狗大脑中的BOLD活动对其训练员的两种不同手势的反应:一种告诉狗狗他们将得到美味的食物奖励，另一种告诉狗狗他们将不会得到奖励。图4一)．

他们发现大脑深处的一个区域尾状核(CD)，当狗看到奖励信号时比看到无奖励信号时更活跃(图4 b)．之前对人类和其他物种的研究表明，当我们期待奖励时，人类大脑的同一区域被激活。所以，在这个例子中，Joy的问题有了答案:在相似的情况下，狗的脑袋里发生的事情与我们自己的脑袋里发生的事情非常相似，并且在这两种情况下都可以使用fMRI成像。6］．如果没有使用功能磁共振成像(fMRI)“读取”狗的大脑，这一非凡的洞察力是不可能实现的!

对其他领域的影响，包括医学

MRI和fMRI的发展使我们在了解大脑功能方面取得了重大进展。部分原因是核磁共振成像和功能磁共振成像不像x光那样，不会用有害的辐射损伤脑细胞，而且可以更精确地确定大脑活动的位置。此外，除了人类之外，MRI还可以用于研究各种各样的东西，包括动物、植物、其他生物，甚至是没有血液的化石。

然而，除了纯粹的研究之外，MRI和fMRI最大的影响在于了解脑部疾病。例如，就在几年前，我们只能在阿尔茨海默病的晚期阶段追踪到它，那时大脑的大部分损伤都是不可逆的。随着功能磁共振成像技术的发展，阿尔茨海默病的早期检测越来越有可能。与健康的人相比，患有阿尔茨海默氏症的人大脑某些部位的活动往往更少。因此，医生可以使用功能磁共振成像技术来早期诊断阿尔茨海默氏病，在疾病恶化之前检测出大脑这些区域的异常或较低水平的活动。

此外，功能磁共振成像扫描现在能够区分患有或没有自闭症的大脑，准确率达97% [7］．功能磁共振成像研究显示，大脑中对计划、解决问题和解释社会互动很重要的部分活动减少。此外，对自闭症患者的扫描显示，两半大脑之间的连接较少。因此，通过系统地比较某些脑相关疾病患者的脑功能与健康患者的脑功能，在了解这些疾病方面取得了快速进展。

下一步是什么?

尽管取得了这些进展，但仍存在一些挑战。例如，我们仍然对儿童早期大脑的发育知之甚少。目前，功能磁共振成像仪黑暗、嘈杂、可怕，不适合婴儿和害怕狭窄空间的人使用。它们还需要很长时间来创建图像，而且它们的“相机”对运动极其敏感，导致图像模糊。此外，fMRI价格昂贵，不便于携带，医生和科学家需要经过大量培训才能使用。研究人员正在努力解决这些问题。另一个主要的挑战是提高磁共振成像过程的速度和提高图像的质量。这些挑战以及其他一些尚存的挑战似乎令人望而生畏，但对于今天有抱负的年轻人来说，它们确实是未来的机遇。

术语表

磁场:↑磁体周围的磁场，它能产生吸引或排斥其他磁性物体的力。

射频波:↑由射频线圈产生的特殊电磁信号，使来自核磁共振扫描仪磁体磁场的质子重新排列。

电磁信号:↑通过磁场和电场的振动产生的信号。

神经元:↑神经细胞:尤指在大脑中长距离发送和接收电信号和化学信号的神经细胞

血红蛋白:↑红细胞内的含铁蛋白质可以捕获氧气并将其输送到身体组织。

尾状核:↑大脑的一个区域，除其他外，对奖励做出反应。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

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参考文献

[1]↑可汗学院。磁共振成像(MRI)．网上订购地址:https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/physical-processes/proton-nuclear-magnetic-resonance/a/magnetic-resonance-imaging-mri(2020年10月7日访问)。

[２]↑Vecteezy》2019。面向所有人的矢量图形．网上订购地址:www.vecteezy.com/(2020年10月7日访问)。

[3]↑BrainFacts / sfn。2012.神经元．网上订购地址:http://www.brainfacts.org/brain-anatomy-and-function/anatomy/2012/the-neuron(2020年10月7日访问)。

[4]↑儿童百科全书事实。儿童功能性磁共振成像知识．网上订购地址:https://kids.kiddle.co/Functional_magnetic_resonance_imaging(2020年10月7日访问)。

［5］↑注意力与知觉神经科学实验室(NAPL)，普林斯顿大学。NAPL儿童项目．网上订购地址:https://scholar.princeton.edu/kidsrock(2020年10月7日访问)。

[6]↑伯恩斯，g.s.，布鲁克斯，a.m.，斯皮瓦克，M. 2012。清醒不受约束犬的功能磁共振成像。PLoS ONE。7: e38027。doi: 10.1371 / journal.pone.0038027

[7]↑奥克兰德，2014年。自闭症:脑功能磁共振成像扫描可以97%的准确率预测自闭症．网上订购地址:https://time.com/3614487/fmri-autism-diagnosis/(2020年10月7日访问)。